锂离子电池具有体积小、重量轻、能量密度大、标称电压相对较高、循环寿命长、无记忆效应等优点,被广泛应用于电动汽车电源。锂离子单体电池标称电压低,磷酸铁锂电池只有3.2V,为满足不同的电压等级,需要多个单体锂离子电池串联。 而单体锂离子电池间存在性能差异,在电池组使用过程中,各个单体锂离子电池间会出现能量不一致的问题,从而导致电池系统的充、放电容量逐渐减小。为了解决电池组中串联的单体电池间能量不一致的问题,必须采取有效的措施对电池组进行能量均衡。 根据储能元件的不同,目前均衡器可分为电阻均衡、电容均衡、电感均衡、LC均衡和变压器均衡等。其中,电阻均衡是能耗均衡,其他几种是非能耗均衡。电容均衡以电容作为能量转移的载体,通过单体电池间的电压差实现能量的均衡,由于电池间的电压差较小,均衡能量转移困难;电感均衡以电感作为能量转移的载体,均衡电流易控,但均衡器性能由均衡器电路结构和均衡策略决定;LC均衡通过LC振荡电路实现电容均衡,弥补了电容均衡电压差小的缺点,但开关频率高,均衡电路控制复杂,均衡效率低;变压器均衡多以反激式变压器作为能量转移的载体,均衡器的体积较大,均衡效率和均衡速度均受到限制。 由于现有的均衡器功能有限,均衡拓扑电路或均衡策略单一,很少根据电池的工作状态采取不同的均衡拓扑电路或均衡策略,因此目前的均衡器普遍存在均衡速度较慢,均衡能量可控性差,均衡效果不理想等问题。 例如,文献[14]提出的电池包到单体电池的均衡方案开关器件较多,损耗较大,能量只能单向转移,并且控制比较复杂。文献[18]提出了一种主动均衡方案,其采用反激式变压器减小了均衡器的体积,但在均衡过程中的均衡电流不连续。 本文提出了一种基于混合斩波电路的蓄电池组高速能量均衡器,通过不同的斩波电路分别实现了电池组充电、放电和静置三种状态下的能量均衡,均衡速度快,均衡能量连续、可控性强,同时能够有效快速地提高电池组的充、放电容量,通过双层桥臂实现了能量的双向流动,均衡器能量损耗低,均衡器的控制更为简单,电路更容易实现。
图6 实验平台
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